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Edward's Labs

[Lesson 2]DC모터의 기본 원리를 파헤쳐보자!! 본문

Embedded 기술/센서 파헤치기

[Lesson 2]DC모터의 기본 원리를 파헤쳐보자!!

Eddy 2017.02.15 10:04

안녕하세요.


이번에는 DC 모터(전동기)의 동작 원리에 대해서 알아보겠습니다.


시작하기에 앞서 모터의 동작 영상부터 보고 설명드리겠습니다.

 >> 해당 영상은 유투브의 강의를 일부 발췌하였습니다.

 >> 해당 유투브 원본 링크는 https://www.youtube.com/watch?v=7L2QlzusUk8 입니다.




영상을 보면 대충 어떤 느낌으로 동작하시는지 알 것입니다.

영상에서 보았던 위 그림이 동작원리의 모든 것입니다.


가장 처음에 봐야할 것은, "DC모터 Part1"에서 말한, 직류 전원 극성입니다. 보시면 직류 전원에서 + 방향으로 전류가 발생되게 됩니다.

전류가 +에서 출발하여 브러시 -> 정류자 -> 코일을 경유하여 직류 전원의 -로 들어오죠.


이를 이용하여 모터를 동작시키게 됩니다. 



[Lesson 1]DC모터의 기본 구조를 파헤쳐보자!! 는 아래 링크 ㅋ

http://openstory.tistory.com/106



전류가 실제 코일 도선에 흐르게 되면 "플레밍의 왼손 법칙과 오른손 법칙"에 의해서 전류가 흐른 코일 주위에 자기장이 발생하게 됩니다.

코일에 자기장이 발생하면 양 옆에 있는 자석에 자기력(힘)이 발생합니다. (자석은 보통 N극에서 S극으로 움직이죠.)


그렇게 코일은 전류, 자기장, 자석의 힘에 의해 움직이게 됩니다.

즉 !!!! 플레밍의 왼손, 오른손 법칙(동일한 거에요.)에 의해 가해지는 힘의 방향으로 코일이 움직이게 됩니다.




그런데, 정류자를 보면 가운데만 비어있죠?? 이 부분은 여러 용도로 사용되요.

일단 전류가 인가되면, 코일은 자기장과 자석에 의해 움직입니다. 그리고 가운데 비어있는 홈이 실제 브러시와 맞닿아 있는 부분이 만나면,

브러시와 연결이 되어 있지 않기 때문에 !!! 전류가 흐르지 않습니다....


이 때 !!! 코일의 특성이 발생하게 됩니다. 

(제가 참고한 동영상에 의한 관성의 법칙이라고 표현했는데요. 그 표현도 맞는 말인거 같은데, 저는 엔지니어 측에서 설명하겠습니다.)


코일은 에너지(자계)를 저장하는 매체입니다. 더 정확하게 말하자면, 전류가 흐를 동안에만 에너지를 저장합니다.

그래서 전류가 코일에 흐르면, 코일은 에너지를 저장하고 동작하게 됩니다. 근데 !! 갑자기 전류가 흐르지 않게되면,

코일은 자기장에 의해 계속 전류를 흐르던 방향으로 보내려고 합니다. (이를 인덕턴스라고 불리며, 코일을 사용하는 가장 큰 이유죠..)



번외로, 코일을 둘둘 감아서 전류를 흘리면, 전류가 잘 흐르지 못합니다. (감지 않으면 자기장이 약해서 전류도 잘 흐릅니다.)

이는 앞서 말한 인덕턴스라는 것 때문에, 자기장에 의해 전류의 방향이 변하는 것을 방해하는 성질이 있기 때문입니다.

더 정확히 말씀드리면, 코일에 일정한 방향으로 전류가 계속 흐른다면, 자기장은 문제 없이 동작할 것입니다.

근데, 교류처럼 전류가 +, -로 계속 움직이면서 전류의 방향이 지속적으로 변하면, 코일은 자기장에 의해 전류가 잘 흐르지 않게 됩니다.



결국 !! 결론은, 코일은 전류가 흐르면서 자기장에 의해 저장했던 에너지를 내보내게 되면서 전류도 함께 내보내고, 

이를 통해 결국 모터가 동작하게 됩니다.

즉, 자기의 상태를 유지하려고 하는 것이죠!!


여기서, 정류자의 역할은 같은 방향으로만 회전할 수 있도록 전류의 방향을 바꿔주는 역할입니다.


자, 그렇다면 모터의 속도를 크게, 세게하기 위해서는 어떻게 해야할까요??


1. 전류를 크게한다.

  >> 코일의 특성은 전류가 변화할 때의 움직임을 막는 것입니다. 전류가 일정하게 흐르면 아무 문제 없습니다.

2. 코일을 많이 감는다.

  >> 코일을 많이 감으면 축적되는 에너지가 더 많겠죠? 그리고 발생하는 자기장 세기가 크겠죠!!

3. 영구자석의 자기장을 세게한다.

  >> 영구자석을 가깝게 붙이거나, 강한 자석을 사용합니다.

  >> 가깝게 붙을 수록 자기장이 세지겠죠??




** TIP **


1. 실제 좀 더 비싼 DC 모터를 보면 정류자의 비어있는 부분이 많아요. (아래 그림)

이렇게 홈이 많은 정류자를 이용하여 스텝 모터로 사용할 수 있습니다.

홈이 있는 부분에서 모터가 동작하지 않게 만들어서 원하는 각도에서 모터를 제어할 수 있게 동작합니다.




2. "코일은 반 바퀴마다 다른 자기장의 힘이 작용합니다."


맨 처음 동작에서 브러시를 이용하여 전류가 정류자를 통해 코일로 흐르고 플레밍의 법칙에 의해 자기장이 발생하고 힘이 작용하는 것은 

이제 다 알고 있을 것이라 생각되요~


근데, 여기서 전류는 그저 + 에서 -으로 흐르지만, 모터 구성이 전류방향에 의해 자기장과 힘의 작용 방향이 서로 다른 것을 알 수 있습니다.

위 그림을 참조하면 전류가 흐르는 코일을 A와 B로 나누었습니다!

그림의 순서대로 1번 -> 2번 -> 3번을 보면 코일의 A와 B는 구성자체가 힘의 작용 방향이 서로 다른 것을 알 수 있습니다!!!!!


맨 처음 전류가 A를 거쳐 B로 가게 되면서 A와 B는 다른 자기장의 힘이 발생하게 되고, 코일은 반 바퀴 회전하게 됩니다.

반 바퀴 회전하게 되면 B와 A의 위치가 바뀌어 있으며, 이 때 자기장 힘의 작용이 반대로 작용 된다.

(당연한 것이, 맨 처음에는 A에서 B로 전류가 흘렀는데, 반 바퀴 돌고 B에서 A로 전류가 흐른다.)


이 때문에, 반 바퀴마다 A와 B의 자기장의 힘이 달라지면서 동작하는 힘의 방향이 달라지게 된다. (전류의 방향이 바뀌는 것이 아니다.)



3. 교류 모터(AC 전동기)는 정류자와 브러시가 필요없습니다. AC는 전류가 계속 변동되기 때문에 방향이 수시로 바뀌니깐요.




- DC 모터의 단점.(가장 큰 결점)

정류자와 브러시간의 마찰로 인해서 마모 및 노이즈, 회전 소음이 발생해요.


이는 마이크로 컨트롤러 (MCU)에 연결하여 사용할 경우, "노이즈"가 발생하게 됩니다.

이 경우, 단자(전원 라인)와 케이스 사이에 캐패시터(0.01uF ~ 0.1uF)을 부착합니다.

즉, 캐패시터로 바이패스 시키는 거에요~


브러시와 정류자간은 기계적인 기구로 정류자가 돌면서 브러시와 마찰되어 닳을 수 밖에 없는 구조에요.

그리고 회전하면서, 코일에 힘의 방향이 지속적으로 바뀌기 때문에, 

코일 특성인 인덕턴스에 의해 역기전력이 발생됩니다. 이 것과 합세하여 스파크까지 발생되게 됩니다.. 그렇게 노이즈도 발생해요..


이를 드론에 사용한다면, 실제 스파크와 노이즈로 인해 밧데리의 소모가 빠르게 되죠.. 


그래서 이를 보완하기 위해 BLDC(Brushless) 모터가 출시되었습니다~ 얘는 브러시가 없어요 ㅎㅎ

얘는 반도체를 이용하여 동작합니다~~


설명은 BLDC 모터 편에서 설명드릴게요~




- 참고 영상


- DC모터 기초 지식 문서

http://www.ktechno.co.kr/pictech/motor01.html


- 그림으로 설명 (원리 이해)

https://www.youtube.com/watch?v=7L2QlzusUk8


- 메가스터디 (기초 이해 쉬움)

https://www.youtube.com/watch?v=ormeOcIvbVQ


- 3D로 설명함 (영어)

https://www.youtube.com/watch?v=LAtPHANEfQo




다음에는 BLDC(Brushless DC Motor)에 대해 알아보겠습니다.


감사합니다.

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